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Diseño y Simulación del Control de un Transformador de Estado Sólido de Tres Etapas con Entrada Trifásica y Salida Trifásica Basado en un Convertidor DC-DC de Doble Puente Activo y un Convertidor AC-DC Multinivel de Diodo Anclado. Danny Espinoza Andrade (1) , Jorge Aguilar Sánchez (2) , Sixifo Falcones (3) Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral Apartado 09-01-5863. Guayaquil-Ecuador [email protected] (1) , [email protected] (2) , [email protected] (3) Resumen El presente proyecto consiste en diseñar el controlador de un Transformador de Estado Sólido (SST), con el objetivo de mostrar un modelo base de transformador para ser utilizado en una Red Eléctrica inteligente (Smart Grid). Lo que se pretende con este proyecto es mejorar la calidad de energía de la red eléctrica, además se presenta una manera de incluir energías renovables al sistema. Se menciona algunos problemas que afectan al Sistema eléctrico actual y como el SST puede corregir estos problemas, se da a conocer las ventajas que tiene una Smart Grid, se muestra la topología del SST utilizada, se dimensiona los componentes a utilizarse en cada etapa, se modela la planta de cada convertidor, se presenta el diseño del controlador y la estrategia a utilizar para controlar cada una de las etapas del SST. Para efecto de diseñar el controlador del SST se modelará un controlador por cada etapa. Para la primera y la última etapa se diseña un control en cascada para controlar voltaje y corriente mientras que para el DAB se controla el voltaje de salida, por último se muestra las simulaciones del SST al ser afectado por diferentes perturbaciones. Debido al alto costo de los componentes del SST no se realiza ninguna implementación física, además el presente proyecto ha sido limitado a la simulación del SST mediante switches ideales para que el diseño sea más sencillo y fácil de interpretar. Todo el trabajo se lo realiza con la ayuda de las herramientas PLECS y SIMULINK, del programa MATLAB, en el cual se simula el sistema modelado. Palabras Claves: Transformador de Estado Sólido, Red Eléctrica Inteligente, Calidad de Energía, energías renovables. Abstract This project consists to design a controller for a Solid State Transformer (SST), with the purpose of showing a transformer base model to be used in a smart Grid. The aim of this project is to improve the power quality of the power grid, also shows a way to include renewable energy to the system. It mentions some problems affecting the current electrical system as the SST can correct these problems, shows the advantages of having a Smart Grid, shows the topology used in SST, dimension components used in each stage, models each plant converter, we present the design of the controller and the strategy to use to control each stage of the SST. For the purpose of designing the controller of the SST we have to design a controller for each stage. For the first and the last stage is designed cascade control to make control of voltage and current, for the DAB we control the output voltage and finally shown simulations of the SST to be affected by various disturbances. Due to the high cost of SST components do not perform any physical implementation, and this project has been limited to the simulation of SST using ideal switches to keep the design simple and easy to interpret. All work is done with the help of the tools PLECS and SIMULINK, MATLAB program, which simulates the modeled system. Keywords: Controller, Solid State Transformer, Smart Grid, Power Quality, including renewable energy.

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Page 1: Author Guidelines for 8 · 2014-06-03 · Como se observa en la Figura 3, el alto voltaje de la red es transformado por medio de circuitos de electrónica de potencia a voltaje continuo

Diseño y Simulación del Control de un Transformador de Estado Sólido de Tres Etapas con Entrada Trifásica y Salida Trifásica Basado en un Convertidor DC-DC de

Doble Puente Activo y un Convertidor AC-DC Multinivel de Diodo Anclado.

Danny Espinoza Andrade (1)

, Jorge Aguilar Sánchez (2)

, Sixifo Falcones (3)

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral

Apartado 09-01-5863. Guayaquil-Ecuador

[email protected] (1)

, [email protected] (2)

, [email protected] (3)

Resumen

El presente proyecto consiste en diseñar el controlador de un Transformador de Estado Sólido (SST), con el objetivo de

mostrar un modelo base de transformador para ser utilizado en una Red Eléctrica inteligente (Smart Grid). Lo que se

pretende con este proyecto es mejorar la calidad de energía de la red eléctrica, además se presenta una manera de

incluir energías renovables al sistema. Se menciona algunos problemas que afectan al Sistema eléctrico actual y como

el SST puede corregir estos problemas, se da a conocer las ventajas que tiene una Smart Grid, se muestra la topología

del SST utilizada, se dimensiona los componentes a utilizarse en cada etapa, se modela la planta de cada convertidor,

se presenta el diseño del controlador y la estrategia a utilizar para controlar cada una de las etapas del SST. Para

efecto de diseñar el controlador del SST se modelará un controlador por cada etapa. Para la primera y la última etapa

se diseña un control en cascada para controlar voltaje y corriente mientras que para el DAB se controla el voltaje de

salida, por último se muestra las simulaciones del SST al ser afectado por diferentes perturbaciones. Debido al alto

costo de los componentes del SST no se realiza ninguna implementación física, además el presente proyecto ha sido

limitado a la simulación del SST mediante switches ideales para que el diseño sea más sencillo y fácil de interpretar.

Todo el trabajo se lo realiza con la ayuda de las herramientas PLECS y SIMULINK, del programa MATLAB, en el cual

se simula el sistema modelado.

Palabras Claves: Transformador de Estado Sólido, Red Eléctrica Inteligente, Calidad de Energía, energías

renovables.

Abstract

This project consists to design a controller for a Solid State Transformer (SST), with the purpose of showing a

transformer base model to be used in a smart Grid. The aim of this project is to improve the power quality of the power

grid, also shows a way to include renewable energy to the system. It mentions some problems affecting the current

electrical system as the SST can correct these problems, shows the advantages of having a Smart Grid, shows the

topology used in SST, dimension components used in each stage, models each plant converter, we present the design of

the controller and the strategy to use to control each stage of the SST. For the purpose of designing the controller of the

SST we have to design a controller for each stage. For the first and the last stage is designed cascade control to make

control of voltage and current, for the DAB we control the output voltage and finally shown simulations of the SST to be

affected by various disturbances. Due to the high cost of SST components do not perform any physical implementation,

and this project has been limited to the simulation of SST using ideal switches to keep the design simple and easy to

interpret. All work is done with the help of the tools PLECS and SIMULINK, MATLAB program, which simulates the

modeled system.

Keywords: Controller, Solid State Transformer, Smart Grid, Power Quality, including renewable energy.

Page 2: Author Guidelines for 8 · 2014-06-03 · Como se observa en la Figura 3, el alto voltaje de la red es transformado por medio de circuitos de electrónica de potencia a voltaje continuo

1. Introducción

En la Actualidad con el concepto de Smart Grid y

las fuentes de energía alternativas, el usuario pasa a

ser parte importante en la distribución de la energía

eléctrica, siendo capaz de producir su propia energía

lo que implica interconectar de la mejor manera

posible generación, transmisión y consumidor;

permitiendo de esta forma al distribuidor estar en

constante monitoreo del flujo energético y los

elementos que conforman la red eléctrica, evitando así

perdidas que se presentan en la distribución y detectar

posibles fallas que se pueden originar tanto en la

producción como en el consumidor.

El desarrollo del presente proyecto radica en el

modelamiento y diseño del sistema de control para un

Transformador de Estado Sólido (SST), que permitirá

una mayor eficiencia en los sistemas de distribución

energéticos basados en técnicas de control más

sencillas y efectivas para ser utilizados en redes

eléctricas inteligentes.

2. Planteamiento del problema

Cada día es más caro el combustible utilizado por

las plantas de generación de energía tradicionales y

también tenemos el problema que se produce durante

los picos de demanda, con los sobrecostes que ello

supone. Un aspecto que las Smart Grid permitirían

mejorar sería la integración de las energías renovables

para los usuarios finales que dispongan de elementos

de micro-generación permitiendo generar su propia

electricidad y la inyección en la red de la energía

generada durante los picos de consumo.

La fiabilidad de la energía y su distribución es otro

matiz a tener en cuenta, aún existe una gran pérdida

económica y social debida a la falta de electricidad en

determinadas ocasiones. Además, muchas veces las

propias compañías no detectan dichos apagones hasta

que los usuarios finales les informan. Otro problema

adicional es que si no se ataja rápidamente el fallo,

puede provocar un fallo en cascada debido a la

congestión y sobrecargas que se producen.

La implementación de sistemas automáticos

inteligentes puede hacer que se tenga un conocimiento

en tiempo real de toda la red permitiendo una rápida

reacción, la detección previa de problemas potenciales

y la minimización del impacto de un fallo.

Los transformadores actuales son dispositivos de

una sola función cambiando el voltaje de un nivel a

otro, en cambio, con esta nueva tecnología los SST

son mucho más flexibles utilizan transistores y diodos

con otros dispositivos basados en semiconductores,

que están diseñados para gestionar altos niveles de

energía. En la Figura 1 se muestra el esquema básico

de la conexión de un transformador en estado sólido a

la red.

RED

PUBLICA

CONTROLADOR

SST

MICRO

GENERACION

CARGA

Figura 1. Conexión del SST a la red eléctrica.

3. Generación Distribuida

La generación distribuida consiste en crear redes

descentralizadas de generación eléctrica con centrales

generadoras de menor tamaño y más cercano a los

puntos de consumo, lo cual permite que se reduzcan

las pérdidas del sistema (pérdida en los kilómetros de

cables) por la cercanía entre el punto de producción

con el punto de consumo[1].

Permite una integración más sencilla de las

energías renovables en la red, por tanto, y siguiendo el

presente modelo la red de suministro debería

converger hacia una estructura de malla con

numerosas interconexiones, sustituyendo a la actual

estructura lineal. En la Figura 2 se muestra un sistema

de distribución de una red inteligente.

Figura 2. Distribución Red Eléctrica Inteligente.

Fuente: [http://www.osii.com, smartgrid]

4. Transformador de estado sólido (SST)

Los transformadores de estado sólido (SST) se los

emplea más en los últimos años como una posible

solución a los retos que enfrenta toda la red eléctrica

debida al incremento de carga y a la introducción de

sistemas de energías renovables. Los transformadores

basados en electrónica de potencia implementan una

red inteligente de comunicación para asegurar la

estabilidad y optima operación de la red.

Peso y tamaño reducido debido al transformador

de alta frecuencia.

Introduce potencia reactiva a la red cuando lo

necesite.

Mejora la calidad de energía del sistema.

Limita la corriente a la deseada.

Administra la energía almacenada.

Los armónicos pueden ser aislados.

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Como se observa en la Figura 3, el alto voltaje de

la red es transformado por medio de circuitos de

electrónica de potencia a voltaje continuo antes de ser

aplicado al lado primario del transformador de alta

frecuencia, donde se produce el aislamiento de las

etapas y poder reducir el voltaje continuo que va a ser

transformado nuevamente en un voltaje alterno.

Figura 3. Esquema básico del SST. Fuente:

[Intelligent solid state transformers by Johann Kolar]

5. Topologías del SST

Existen 4 configuraciones de SST en general que

podrían definir las diferentes topologías, tal como se

observa en la Figura 4.

a) Un estado sin enlace DC.

b) Dos estados con enlace DC de bajo voltaje.

c) Dos estados con enlace DC de alto voltaje.

d) Tres estados con enlace DC de alto y de bajo

voltaje.

Figura 4. Topologías del SST. Fuente: [A DC-DC

multiport converter by Sixifo Falcones Zambrano]

En la actualidad el transistor bipolar de puerta

aislada (IGBT) y los transformadores de alta

frecuencia no están disponibles para altos voltajes,

entonces para resolver este problema se conectan

varios módulos en serie, adicionalmente, usando

técnicas de niveles se puede reducir el rizado de la

corriente lo que se traduce en filtros de menor tamaño

[2].

6. Etapas del SST

Etapa AC-DC: Está compuesta por un puente H

con IGBT’s, donde su función es convertir el voltaje

alterno tomado desde la red a un voltaje continuo o

viceversa. El convertidor AC-DC se muestra en la

Figura 5.

Figura 5. Convertidor AC-DC (Rectificador).

Etapa DC-DC: Consta de un convertidor DC-AC,

un transformador de alta frecuencia, y un convertidor

AC-DC, dependiendo de la relación de vueltas del

transformador aumenta o reduce la tensión de salida.

La Figura 6 muestra el puente activo dual.

Figura 6. Puente activo dual.

Etapa DC-AC: Es la etapa se conecta a la carga

que consume corriente alterna. La función de un

inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente

continua a un voltaje simétrico de salida de corriente

alterna [3]. La Figura 7 muestra el esquema de un

inversor trifásico.

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Figura 7. Convertidor DC-AC trifásico

7. Dimensionamiento de los parámetros

del SST.

El SST que se modela en este proyecto es de tres

etapas con entrada trifásica y salida trifásica basada en

un convertidor AC-DC de tres niveles mediante diodo

anclado, un convertidor DC-DC de doble puente

activo y un convertidor AC-DC. Tiene la capacidad de

manejar una potencia de 1000 KVA, la entrada de

voltaje trifásica es de 13200 voltios RMS, y la salida

es un voltaje trifásico línea a línea de 440 voltios.

Cada módulo se encuentra formado por switches

ideales para la conmutación, los cuales son

controlados por señal de ancho de pulso y unidos por

enlace de voltaje DC. Los enlaces de voltaje DC en

alta y baja tensión se determinan según las

necesidades de los convertidores.

Dimensionamiento del convertidor AC-DC: Se

tiene una entrada trifásica de 13200 voltios RMS y se

fija una modulación de magnitud de 0.85 entonces se

procede a calcular el voltaje del enlace DC de alta

tensión HVDC y la corriente nominal.

√ [ ] (7.1)

√ √

√ [ ] (7.2)

Para el cálculo del L y C se utiliza sus ecuaciones

características.

∫ ( ) (7.3)

∫ ( ) (7.4)

Aplicando las ecuaciones (7.3) y (7.4) obtenemos

los siguientes resultados Li= 85,5 mH, CH= 64,8 µF

que son los valores de la inductancia del rectificador y

la capacitancia respectivamente.

La Figura 8 muestra la corriente del inductor,

además muestra el desfase entre el voltaje de la red y

del convertidor.

Figura 8. Corriente IL, voltaje de la red y del

convertidor.

El voltaje de rizado del capacitor no debe superar

el 3% del voltaje del enlace de alta en DC que

corresponde a 380,39 voltios de pico a pico, en la

Figura 9 se muestra el voltaje de rizado del capacitor

.

Figura 9. Voltaje de rizado del capacitor .

Dimensionamiento del DAB: Debido a que se

requiere una salida trifásica con un voltaje de línea a

línea de 440 voltios RMS a la salida del SST y una

modulación de amplitud de 0.85, se procede a

calcular el enlace DC de baja tensión ( ):

√ √

√ [ ] (7.5)

Corriente de entrada

Voltaje de entrada de la red

Voltaje del convertidor

Voltaje en el capacitor del enlace de alta

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(7.6)

Para calcular el inductor se utiliza la ecuación

de la potencia del DAB:

(

)

(

| |

) (7.6)

(

)

(

| |

) (7.7)

( )

(

)

(7.8)

Una vez que se ha calculado el inductor del DAB se

procede a calcular el valor del capacitor del

enlace DC de baja, para lo cual se realiza un

procedimiento similar que en la etapa del convertidor

AC-DC.

∫ ( ) (7.9)

Aplicando la ecuación (7.9) obtenemos el

resultado Cmin=178 que es el valor de la

capacitancia del DAB.

Dimensionamiento del convertidor DC-AC: La

carga que alimentara el SST es de 1000 KVA,

entonces la potencia del convertidor DC-AC es la

misma potencia de la carga. El convertidor que se

utiliza se presenta en la Figura 10, el cual consta de

cuatro ramales, tres ramales de las fases y un ramal

del neutro, además de un filtro capacitivo inductivo

para minimizar el rizado de la carga; se encuentra

formado por switches ideales para la conmutación y

además estos son controlados por señal de ancho de

pulso.

Figura 10. Convertidor DC-AC.

√ (7.10)

∫ ( ) (7.11)

∫ ( )

(7.12)

La Figura 11 muestra la corriente del inductor en el

inversor.

Figura 11. Corriente en el inductor del inversor.

Para hallar el banco de capacitores conectados a la

carga, se utiliza el criterio de que la frecuencia de

resonancia debe ser por lo menos una década menor

que la frecuencia de conmutación de 20Khz.

√ (7.13)

Una vez que ya tenemos los valores de la frecuencia

de resonancia y la inductancia del inversor entonces

podemos despejar de la ecuación (7.13) el valor de la

capacitancia del filtro RLC que seria 27,77 .

En la tabla 1 se muestra en resumen todos los

valores calculados para el SST.

Tabla1. Valores del SST seleccionado.

8. Estrategia de control

Para el diseño del controlador se debe tener en

cuenta que se necesita controlar tanto la magnitud el

voltaje de los enlaces de tensión DC, como la

dirección y magnitud de la corriente de cada etapa del

SST, se diseñará un lazo de control para la corriente y

un lazo de control para el voltaje, teniendo en cuenta

que el lazo de corriente será mucho más rápido que el

Corriente del inductor

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lazo de voltaje. La Figura 12 presenta el esquema

general de control para el SST de 3 etapas.

Modelamiento Etapa AC-DC

Planta de corriente:

(7.14)

Para poder analizar el sistema trifásico se usa la

técnica de la transformada de Park, que permite

convertir un sistema trifásico estacionario (abc), en

uno de dos fases ortogonal que gira en sincronismo

con el eje (d-q).

( ) * (

) (

)+ (

) (

) (7.15)

(7.16)

( )

( )

(7.17)

Planta de voltaje:

(7.18)

( ) (7.19)

∫( ) (7.20)

(7.21)

Para calcular el controlador se usa el criterio del

factor K y el resultado es el siguiente:

(

)

(

)

(7.22)

(

)

(

)

(7.23)

El ancho de banda del lazo de corriente es una

década menor que la frecuencia de conmutación , por otro lado el ancho de banda del voltaje es de

100 Hz, debido a que debe estar separado por lo

menos una década de la frecuencia del lazo de

corriente. Las Figuras 13 y 14 presentan el diagrama

de bode de lazo abierto de corriente y voltaje

respectivamente utilizando los controladores

calculados.

Figura 12. Esquema general de control del SST.

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Figura 13. Diagrama de bode de lazo abierto de

corriente.

Figura 14. Diagrama de bode de lazo abierto de

Voltaje.

Modelamiento Etapa DC-DC

Usando la ecuación de la potencia del DAB se

obtiene:

(

| |

) (7.24)

(

) (7.25)

∫( ) (7.26)

( ) ( )

( )

(7.27)

( ) ( )

( ) (7.28)

( )

( ) ( ) (7.29)

( )

( ) ( ) (7.30)

( )

(7.31)

( )

( ) ( ) (7.32)

( )

( )

( )( ) (7.33)

Para calcular el controlador se usa el criterio del

factor K. El controlador obtenido con un margen de

fase de 60 ° y un ancho de banda de 1000 Hz

es un controlador tipo II:

(

)

(

)

(7.34)

La Figura 15 muestra el diagrama de bode de lazo

abierto del DAB utilizando el controlador calculado.

Figura 15. Diagrama de bode de lazo abierto del

DAB.

Modelamiento Etapa DC-AC

Aplicando la ley de Kirchhoff a la malla de salida

se obtiene:

(7.35)

(

) ( ) * (

) (

)+ (

) (7.36)

( )

( )

(7.37)

Debido a que la corriente es una variable

controlada y que a la salida se encuentra conectada la

carga y el banco de capacitores en paralelo se asume

que:

( ) ( ) ( )

(7.38)

Frequencia (Hz)

-100

-50

0

50

100

150

System: untitled1Frequency (Hz): 2.01e+003Magnitude (dB): -0.0483

Mag

nit

ud

(d

B)

10-1

100

101

102

103

104

105

106

-180

-150

-120

-90 System: untitled1Frequency (Hz): 2.01e+003Phase (deg): -120

Fase (

deg

)

Frecuencia (Hz)

100

101

102

103

104

-180

-150

-120System: untitled1Frequency (Hz): 100Phase (deg): -120

Fase (

deg

)

-50

0

50 System: untitled1Frequency (Hz): 100Magnitude (dB): -0.0298

Mag

nit

ud

(d

B)

Frecuencia (Hz)

101

102

103

104

105

-180

-150

-120

-90 System: untitled1Frequency (Hz): 1e+003Phase (deg): -120

Fase (

deg

)

-50

0

50 System: untitled1Frequency (Hz): 1e+003Magnitude (dB): -0.0316

Mag

nit

ud

(d

B)

Page 8: Author Guidelines for 8 · 2014-06-03 · Como se observa en la Figura 3, el alto voltaje de la red es transformado por medio de circuitos de electrónica de potencia a voltaje continuo

( ( )

) (

( )

) ( ( )) (7.39)

(

) (

)

( ) (

) (7.40)

( )

( ) ( ) (7.41)

( )

( )

(7.42)

Para el controlador de corriente, con un margen de

fase de 60 ° y un ancho de banda de 250 Hz,

se obtiene un controlador tipo II:

(

)

(

)

(7.43)

La Figura 16 muestra el diagrama de bode de lazo

abierto de corriente utilizando el controlador

calculado.

Figura 16. Diagrama de bode de lazo abierto de

corriente.

Para el controlador de voltaje, con un margen de

fase de 60 ° y un ancho de banda de 25 Hz,

se obtiene un controlador tipo I:

(7.44)

La Figura 17 muestra el diagrama de bode de lazo

abierto de voltaje utilizando el controlador calculado.

Figura 17. Diagrama de bode de lazo abierto de

voltaje.

9. Simulaciones del sistema.

Se realizan las simulaciones del sistema bajo varios

tipos de condiciones de funcionamiento, de carga y

perturbaciones.

9.1 Simulación de un sag del 20% en el

voltaje de la red.

La Figura 18 muestra las formas de onda de los

diferentes voltajes y corrientes del SST al ser

afectados por un Sag del 20% del voltaje de la red.

Figura 18. Sag del 20% del voltaje de la red.

El Sag del voltaje de entrada de la red es aplicado

en un intervalo de 0.1 a 0.15 segundos provocando

que el voltaje de enlace de alta VHDC decaiga, sin

Frecuencia (Hz)

-100

-50

0

50

100

System: untitled1Frequency (Hz): 250Magnitude (dB): 0.0149

Mag

nit

ud

(d

B)

10-1

100

101

102

103

104

105

-180

-150

-120

-90 System: untitled1Frequency (Hz): 250Phase (deg): -120

Fase (

deg

)

Frequencia (Hz)

-150

-100

-50

0

50

100System: untitled1Frequency (Hz): 25Magnitude (dB): 0.00483

Mag

nit

ud

(d

B)

10-1

100

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90System: untitled1Frequency (Hz): 25Phase (deg): -90.1

Fase (

deg

)

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embargo luego de la depresión se observa que dicho

voltaje trata de mantener el valor fijado como

referencia para finalmente establecerse y continuar

con su correcto funcionamiento [4]. El voltaje en el

enlace de baja VLDC no se ve afectado por esta

depresión, así mismo la corriente y el voltaje en la

carga se mantienen estables como se observa en la

Figura 18.

En la Figura 19 se muestra la gráfica de las

potencias de entrada y salida del SST con su

respectivo factor de potencia. Se puede notar que el

momento en que se produce el Sag de voltaje la

potencia de entrada disminuye, más no es así con la

potencia de salida que permanece constante, al igual

que el Factor de potencia de entrada y salida. Con esto

se demuestra que las perturbaciones en la entrada no

afectan a la salida y se mejora la calidad de energía.

Figura 19. Potencia y Factor de potencia del SST con

un Sag del 20%.

En la Figura 19 se observa como la potencia de

entrada disminuye al momento de ingresar la

perturbación y luego de un tiempo la potencia

sobrepasa la potencia nominal del 1000 KVA, esto es

debido a que el capacitor comienza a recuperar la

energía perdida al momento que ingresa la

perturbación. Cuando el voltaje regresa a su valor

normal, la potencia de entrada aumenta y luego

disminuye por debajo de la potencia nominal, este

fenómeno ocurre debido a que el capacitor se

sobrecargo de energía y luego entrega dicha energía

entregando potencia a la red.

9.2 Simulación de un swell del 15% en el

voltaje de la red.

Para realizar esta prueba se simulará un swell del

15% sobre el sistema del SST, el cual tendrá un

intervalo de duración aproximado de 0.1 s a 0.15 s,

como se observa en la Figura 20.

Se aplica el mismo análisis visto en la simulación

de un Sag del 20%, provocando un incremento del

voltaje en el enlace de alta VHDC, pero gracias al

control que existe en el sistema rápidamente el voltaje

trata de mantener el valor de referencia. Así mismo el

voltaje en el enlace de baja VLDC no se ve afectado

por este incremento. La corriente y el voltaje en la

carga no se ven afectado se mantienen estables como

se observa en la Figura 20.

Figura 20. Swell del 15% del voltaje de la red.

En la Figura 21 se muestra que el momento en que

se produce el Swell de voltaje, la potencia de entrada

aumenta, más no es así con la potencia de salida que

permanece constante. El Factor de potencia de entrada

y salida mantiene un valor unitario. Con esto se

demuestra que las perturbaciones en la entrada no

afectan a la salida y se mejora la calidad de energía.

Page 10: Author Guidelines for 8 · 2014-06-03 · Como se observa en la Figura 3, el alto voltaje de la red es transformado por medio de circuitos de electrónica de potencia a voltaje continuo

Figura 21. Potencia y Factor de potencia del SST con

un Swell del 15%.

En la Figura 21 se observa como la potencia de

entrada aumenta al momento de ingresar la

perturbación y luego de un tiempo la potencia

disminuye por debajo de la potencia nominal del 1000

KVA, esto es debido a que el capacitor comienza a

entregar la energía que ganó al momento de ingresa la

perturbación.

9.3 Simulación de conexión de una carga

DC e inyección de potencia DC en LVDC

En la Figura 22 se muestra las formas de onda del

sistema luego de aplicarle una conexión de una carga

DC en el enlace de baja tensión y posteriormente

realizar la inyección de una corriente DC en el mismo

enlace. Primero realizamos la conexión de una carga

DC de 100 amperios en el enlace de baja tensión

desde el tiempo 0.1 segundos, como vemos en la

Figura 22 provoca que la corriente de entrada aumente

y que el voltaje en los enlaces DC disminuyan para

luego estabilizarse en su valor de referencia. Segundo

realizamos la inyección de corriente de 100 amperios

en el enlace de baja tensión lo que produce que la

corriente de entrada disminuye y los voltajes de los

enlaces DC aumenten para que luego se estabilicen en

su valor de referencia, a pesar de estas perturbaciones

las señales en el lado del inversor y en la carga

permanecen constantes todo el tiempo.

Figura 22. Conexión e inyección de potencia DC en

LVDC.

En la Figura 23 se observa que al momento de

conectar la carga DC, la potencia de entrada aumenta

debido al aumento de la demanda de corriente.

Cuando se inyecta corriente DC la potencia de entrada

disminuye debido a la disminución de la corriente de

entrada. En ambos casos la potencia de salida

permanece constante al igual que el Factor de potencia

de entrada y salida que se mantienen en valor unitario.

Con esto se demuestra la capacidad de incorporación

de energías renovables al sistema.

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Figura 23. Potencia y Factor de potencia del SST con

conexión e inyección de potencia DC.

9.4 Simulación de conexión de una carga

trifásica resistiva-inductiva

En la Figura 24 se muestra el resultado obtenido al

conectar una carga trifásica RL adicional a partir de

0.1 segundos, en la cual se puede observar que el

voltaje de entrada no se ve afectados, no así la

corriente de entrada que aumenta para poder

compensar esta variación de carga e inyectar más

potencia para que el sistema no se vea afectado. Sin

embargo a pesar de haber aumentado la carga

observamos que el sistema realiza un perfecto control

del voltaje de enlace de alta y de baja manteniéndolo

estable luego de la perturbación a la que se sometido.

Figura 24. Conexión de una carga trifásica resistiva-

inductiva.

Al momento de conectar la carga R-L la potencia

activa y reactiva de salida aumentan, pero se puede

apreciar que en la entrada solo aumenta la potencia

activa y por ello el factor de potencia de la entrada se

mantiene unitario. El factor de potencia de salida

disminuye debido a que se ingresan reactivos a la

carga. La Figura 25 muestra cómo se mejora la

calidad de energía al mantener un factor de potencia

unitario a la entrada cuando en la salida su valor no es

unitario.

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Figura 25. Potencia y Factor de potencia del SST

carga R-L.

10. Conclusiones

Mediante las simulaciones presentadas, se

demuestra que efectivamente el SST mejora la calidad

de energía en un sistema eléctrico, ya que se puede

observar la presencia de Sags y Swells en el voltaje de

entrada de la red no afectan el desempeño del sistema,

ya que las variables de salida en la carga permanecen

completamente estables.

Se demuestra que a través de los enlaces DC

podemos alimentar cargas extras o inclusive inyectar

potencia a la red por medio de energías renovables

como son celdas solares, baterías de alta potencia

etc...

Se puede observar en las simulaciones que cuando

hay perturbaciones en la entrada, la salida no se ve

afectada y cuando el factor de potencia en la salida

disminuye, se mantiene un factor de potencia unitario

en la entrada.

11. Agradecimientos

Agradezco principalmente a mi familia por

siempre apoyarme en todo y en especial a mi mama

por los valores que me ha inculcado, por haberme

dado la oportunidad de tener una excelente educación

y por ser un excelente ejemplo a seguir, al PhD. Sixifo

Falcones que me ha inculcado sus conocimientos y ha

sido de ayuda para la elaboración del presente

proyecto.

Danny Xavier Espinoza Andrade

Mi gratitud principalmente está dirigida a Dios por

haberme dado la existencia y permitido llegar al final

de esta carrera, igualmente mi agradecimiento es para

mis profesores que me instruyeron, a mis padres,

hermanos y compañero de tesina que me brindaron su

apoyo, su atención y lo más importante su amistad, así

como también al PhD. Sixifo Falcones agradezco de

forma sincera su valiosa colaboración.

Jorge Enrique Aguilar Sánchez

12. Referencias

[1] Dougherty, B., Tanzella, F., & Weaver, R.

(1995). “Some Nickel – Iron, and Nickel – Metal

Hydride, Cell Cycling Result”. IEEE

[2] Falcones, S., Mao, X., & Ayyanar, R. (2010).

“Topology comparison for solid state transformer

implementation”. Arizona: IEEE.

[3] Ned Mohan, Tore Undeland, William

Robbins, “ELECTRÓNICA DE POTENCIA:

Convertidores, Aplicaciones y Diseños”, 2da Edición,

John Wiley & Sons Inc, 1995.

[4] Carol Gowan, Chad Loomis, “Power Quality

and Harmonics: Causes, Effects and Remediation

Techniques”, Cornell University PDC Electrical

Design Section, 2006.

[5] Falcones S, “ A DC-DC multiport converter

based SST”, Arizona State University, 2011.